CN115855811A - 土中有机污染物连续探测的紫外线荧光测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种土中有机污染物连续探测的荧光测试装置及测试方法，采用液压传动装置将多个可连接的直推式探头推进土体，通过内置特定波长的紫外线光源诱导土中有机污染物产生荧光，通过微型相机采集并记录荧光图像，通过自动清洁模块将直推式探头上与土体接触的蓝宝石玻璃窗持续清洗，防止连续探测时有机污染物沾染玻璃引起的测试误差，通过图像分析软件即可分析连续探测时的有机污染物浓度和分布指标。本发明的效果是提供的装置及方法实现了土中有机污染物的分层连续探测，克服了单点量测或剖面量测成本高、操作周期长的不足，缩小了有机物沾染蓝宝石玻璃窗造成的测试误差，显著提升了土中有机污染物探测的便利性和测试精度。

Description

土中有机污染物连续探测的紫外线荧光测试装置及方法

技术领域

本发明属于环境岩土工程技术领域，特别涉及土中有机污染物连续探测的紫外线荧光测试装置及方法，适用于土中有机污染物分布情况及浓度测定。

背景技术

当前，我国土壤污染防治形势严峻，化石燃料燃烧、石油泄漏、工业化工污水排放、污泥农用、工农业固体废物堆放以及农药使用等因素致使邻苯二甲酸酯、多环芳烃等有机污染物直接或间接进入土壤环境，并因非水相有机污染物易被土壤颗粒吸附而长时间残留于土壤中，且由于土体为非均匀性及碎散性，使得土中有机污染物的分布情况以及浓度探测成为一个难题。针对土中有机污染物的分布及浓度探测是有机污染场地监测的重要内容，目前，在室内及野外量测中，针对有机污染物量测的方法主要为传感器量测法。传感器量测方法能够测得传感器位置附近区域土料参数值；但该类方法通常为单点量测，剖面量测成本高，且该类方法为侵入式量测，多点探测时传感器及传输线路的反复埋设和回收可能对原状土产生较大扰动，容易造成较大测量误差。上述常规量测技术并不能充分满足大面积、多断面、对土体扰动较小的量测需求，因而分层连续探测的紫外线荧光标记装置为土中有机污染物存在及浓度分布的量测提供了新思路。

发明内容

本发明提供的土中有机污染物连续探测的紫外线荧光测试装置及方法，以至少解决上述技术问题；

本发明提供土中有机污染物连续探测的紫外线荧光测试装置及方法，采用液压传动装置将多个可连接的直推式探头推进土体，通过内置特定波长的紫外线灯透过蓝宝石玻璃窗照射诱导土中有机污染物产生荧光，通过微型相机采集并记录荧光图像并添加滤镜过滤出非水相有机污染物发出的荧光，通过自动清洁模块将直推式探头上与土体接触的蓝宝石玻璃窗持续清洗，防止有机污染物沾染玻璃，可实现分层连续的探测并得到不同时间和空间上的荧光图像和可见光照射下的土体原位图像，通过图像分析软件可处理图像荧光面积百分比以及荧光点分布情况等信息，以此为有机污染土中有机污染物的存在和浓度分布提供合理的半定量指标。

提出了土中有机污染物连续探测的紫外线荧光测试装置，所述装置包括：刚性外壳模块、紫外线荧光标记模块、自动清洁模块、数据采集及图像分析系统、液压传动系统；所述刚性外壳模块由探头金属外壳、连接件和锥形接头构成，探头金属外壳可采用螺纹分别与连接件、锥形接头拧接一体；

所述探头金属外壳呈圆柱状，内部设置有紫外线荧光标记模块以及自动清洁模块的安装位，探头金属外壳开口端设置有外螺纹及定位卡口；所述探头金属外壳的侧面开有矩形窗口，且矩形窗口周围的探头金属外壳由矩形窗口边缘向外逐渐加厚至恒定厚度，以保证工作时与蓝宝石玻璃窗连接成平滑曲面；矩形窗口上下边缘处的探头金属外壳与蓝宝石玻璃窗紧密贴合，矩形窗口左右边缘外侧各设置有两根与矩形窗口长边平行的通长橡胶条，橡胶条紧贴蓝宝石玻璃窗；所述连接件呈空心圆柱状，两端开口内设有内螺纹及定位卡口；连接件内部设置有四根通长橡胶条，当探头金属外壳上的定位卡口与连接件上的定位卡口对齐后，连接件的四根通长橡胶条与探头金属外壳的四根通长橡胶条分别处于同一直线并紧密接触；当蓝宝石玻璃窗贴紧矩形窗口同侧的两根通长橡胶条时将围合出一个密闭空间；所述锥形接头呈空心圆锥形，开口端内有内螺纹，另一端为锥尖；所述紫外线荧光标记模块由多组紫外线(UV)LED灯、可见光LED灯、微型相机、蓝宝石玻璃窗以及导光通道组成；所述紫外线(UV)LED灯可发射254/275/308nm三种波长的紫外线，总辐射通量3mw；所述可见光LED灯可发出正白光，用于土体照明；所述微型相机图像采集帧率为每秒20-120帧，光谱响应波长范围可覆盖380nm-3000nm；所述蓝宝石玻璃窗为人工合成的弧面蓝宝石片，透光波长可覆盖150nm-5500nm；所述导光通道(25)为薄壁金属管焊接而成的内部相通的“爪”形构件，三根管道轴线间夹角均为30°，用于保证在观测窗口以及导光通道内部没有光污染；

所述自动清洁模块，由电机、齿轮、固定杆以及清洁腔组成；所述电机为微型直流电机，电压在1-24V之间，用于带动主轴齿轮双向旋转；所述齿轮包括主轴齿轮和从动轴齿轮；所述固定杆为金属杆，固定杆将从动轴与蓝宝石玻璃窗连接成一个刚性整体，当电机工作时，齿轮可带动从动轴双向转动，进而带动固定杆和蓝宝石玻璃窗左右扫动；所述清洁腔由探头金属外壳、两根位于矩形窗口同一侧的通长橡胶条、以及蓝宝石玻璃窗围合而成，在探头金属外壳上设有充水管和抽水管，以实现清洁腔内清洁液的循环；

所述数据采集及图像分析系统，可将可见光照射图像和紫外线荧光标记图像按一定时间间隔记录并储存，可通过图像采集及处理软件从图像中过滤荧光点，测算图像上的荧光面积百分比数据，并生成三维云图；

所述液压传动系统为小型液压机，通过产生推力推动传动杆以及直推式探头以每秒10-30mm的速度推进；所述传动杆为空心圆管，底部可与探头金属外壳通过螺纹拧接，内部空间可穿过充水管、抽水管以及用于导电以及数据传输的线路；

将紫外线荧光标记模块、自动清洁模块分别与刚性外壳模块通过刚性外壳模块上设置的紫外线荧光标记模块以及自动清洁模块安装位进行连接，组成直推式探头，将直推式探头与液压传动系统通过传动杆进行连接，将直推式探头与数据采集及图像分析系统通过传输线路相连接，即形成土中有机污染物分层连续探测的紫外线荧光测试装置。

提出了土中有机污染物分层连续探测的紫外线荧光测试装置的实施方法，该方法包括以下步骤：

1)组装土中有机污染物连续探测的紫外线荧光测试装置；

2)利用液压传动系统，将直推式探头向地层中推进，在蓝宝石玻璃窗中心高度与地平线重合时，打开数据采集及图像分析系统，定义此点位为坐标原点，定义完成后继续向下推进，直至蓝宝石玻璃窗完全进入地平线以下时停止，进行成像效果校准，打开可见光LED灯照亮土体，通过图像采集及处理软件观察微型相机成像效果，并将焦距调节至最佳观测效果(仅初次使用时需进行焦距调节)，焦距调节完毕后，将可见光LED灯关闭，通过图像采集及处理软件检查是否实现了暗背景(窗口或导光通道内部没有光污染)，观察图像采集及处理软件的视窗内无荧光点时方可进行下一步；

3)在图像采集及处理软件中对图像尺寸、像素、记录间隔进行设置，接着继续向下以0-30mm/s的速度推进直推式探头并开始探测；

4)在达到目标探测深度后停止探测，通过液压传动系统将直推式探头拔出并清洁，接着开始下一测点的探测；

5)重复2-3操作以将所有待测点位探测完毕后，通过图像采集及处理软件从图像中过滤出荧光点，然后测算每幅图像上的荧光面积百分比，并以起始测试点地面位置为坐标原点，建立三维空间坐标系，然后将各个测点的深度，水平方位以坐标表示，通过每幅图像荧光面积百分比值与测点三维坐标的一一对应，形成一个有机污染物在土中分布浓度的三维云场。

有益效果：

本发明的效果是提供了装置及方法，实现了用紫外线荧光标记法对土中有机污染物的分层连续探测，克服了传统传感器量测法分析有机污染物浓度的局限性，对于原状土扰动小，量测结果更具真实性。克服了单点量测剖面量测成本高的缺点，单节探头内置多组紫外线荧光标记模块，且多节探头之间可通过不同长度的连接件相连接，由此可同时分层连续进行多深度的图像采集。自动清洁模块可保证探头持续推进过程中蓝宝石玻璃视窗上吸附油污的及时有效清理，进而有效避免土中有机污染物浓度和空间分布估计中可能会出现的重大错误，显著提升了土中有机污染物探测的便利性和测试精度。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种土中有机污染物分层连续探测的荧光测试装置工作示意图；

图2为本发明的一种土中有机污染物分层连续探测的荧光测试装置的直推式探头纵剖图；

图3为本发明的一种土中有机污染物分层连续探测的荧光测试装置的直推式探头横剖图一；

图4为本发明的一种土中有机污染物分层连续探测的荧光测试装置的直推式探头横剖图二；

图5为本发明的一种土中有机污染物分层连续探测的荧光测试装置的直推式探头正视图；

图6为本发明的一种土中有机污染物分层连续探测的荧光测试装置的直推式探头俯视图；

附图标记说明：

1.刚性外壳模块；

11.探头金属外壳；

111.外螺纹；

112.定位卡口；

113.橡胶条；

12.连接件；

13.锥形接头；

121.内螺纹；

2.紫外线荧光标记模块；

21.紫外线(UV)LED灯；

22.可见光LED灯；

23.微型相机；

24.蓝宝石玻璃窗；

25.导光通道；

3.自动清洁模块；

31.电机；

32.齿轮；

321.主轴齿轮；

322.从动轴；

33.固定杆；

34.清洁腔；

341.充水管；

342.抽水管；

4.数据采集及图像分析系统；

5.液压传动系统；

51.传动杆。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。

如图1-6所示，土中有机污染物连续探测的紫外线荧光测试装置，所述装置包括：刚性外壳模块1、紫外线荧光标记模块2、自动清洁模块3、数据采集及图像分析系统4、液压传动系统5；

所述刚性外壳模块1由探头金属外壳11、连接件12和锥形接头13构成，探头金属外壳11可采用螺纹分别与连接件12、锥形接头13拧接一体；

所述探头金属外壳11呈圆柱状，内部设置有紫外线荧光标记模块2以及自动清洁模块3的安装位，探头金属外壳11开口端设置有外螺纹111及定位卡口112；所述探头金属外壳11的侧面开有矩形窗口，且矩形窗口周围的探头金属外壳11由矩形窗口边缘向外逐渐加厚至恒定厚度，以保证工作时与蓝宝石玻璃窗24连接成平滑曲面；矩形窗口上下边缘处的探头金属外壳11与蓝宝石玻璃窗24紧密贴合，矩形窗口左右边缘外侧各设置有两根与矩形窗口长边平行的通长橡胶条113，橡胶条113紧贴蓝宝石玻璃窗24；

所述连接件12呈空心圆柱状，两端开口内设有内螺纹121及定位卡口112；连接件12内部设置有四根通长橡胶条113，当探头金属外壳11上的定位卡口112与连接件12上的定位卡口112对齐后，连接件12的四根通长橡胶条113与探头金属外壳11的四根通长橡胶条113分别处于同一直线并紧密接触；当蓝宝石玻璃窗24贴紧矩形窗口同侧的两根通长橡胶条113时将围合出一个密闭空间；所述锥形接头13呈空心圆锥形，开口端内有内螺纹121，另一端为锥尖；

所述紫外线荧光标记模块2由多组紫外线UVLED灯21、可见光LED灯22、微型相机23、蓝宝石玻璃窗24以及导光通道25组成；所述紫外线UVLED灯21可发射254/275/308nm三种波长的紫外线，总辐射通量3mw；所述可见光LED灯22可发出正白光，用于土体照明；所述微型相机23图像采集帧率为每秒20-120帧，光谱响应波长范围可覆盖380nm-3000nm；所述蓝宝石玻璃窗24为人工合成的弧面蓝宝石片，透光波长可覆盖150nm-5500nm；所述导光通道25为薄壁金属管焊接而成的内部相通的“爪”形构件，三根管道轴线间夹角均为30°，用于保证在观测窗口以及导光通道内部没有光污染；

所述自动清洁模块3，由电机31、齿轮32、固定杆33以及清洁腔34组成；所述电机31为微型直流电机，电压在1-24V之间，用于带动主轴齿轮321双向旋转；所述齿轮32包括主轴齿轮321和从动轴齿轮；所述固定杆33为金属杆，固定杆33将从动轴322与蓝宝石玻璃窗24连接成一个刚性整体，当电机31工作时，齿轮32可带动从动轴322双向转动，进而带动固定杆33和蓝宝石玻璃窗24左右扫动；所述清洁腔34由探头金属外壳11、两根位于矩形窗口同一侧的通长橡胶条113、以及蓝宝石玻璃窗24围合而成，在探头金属外壳11上设有充水管341和抽水管342，以实现清洁腔内34清洁液的循环；

所述数据采集及图像分析系统4，可将可见光照射图像和紫外线荧光标记图像按一定时间间隔记录并储存，可通过图像采集及处理软件从图像中过滤荧光点，测算图像上的荧光面积百分比数据，并生成三维云图；

所述液压传动系统5为小型液压机，通过产生推力推动传动杆51以及直推式探头以每秒10-30mm的速度推进；所述传动杆51为空心圆管，底部可与探头金属外壳11通过螺纹拧接，内部空间可穿过充水管341、抽水管342以及用于导电以及数据传输的线路；

将紫外线荧光标记模块2、自动清洁模块3分别与刚性外壳模块1通过刚性外壳模块1上设置的紫外线荧光标记模块2以及自动清洁模块3安装位进行连接，组成直推式探头，将直推式探头与液压传动系统5通过传动杆51进行连接，将直推式探头与数据采集及图像分析系统4通过传输线路相连接，即形成土中有机污染物分层连续探测的紫外线荧光测试装置。

土中有机污染物分层连续探测的紫外线荧光测试装置的实施方法，该方法包括以下步骤：

1.组装土中有机污染物分层连续探测的紫外线荧光测试装置；

2.利用液压传动系统5，将直推式探头向地层中推进，在蓝宝石玻璃窗24中心高度与地平线重合时，打开数据采集及图像分析系统4，定义此点位为坐标原点，定义完成后继续向下推进，直至蓝宝石玻璃窗24完全进入地平线以下时停止，进行成像效果校准，打开可见光LED灯22照亮土体，通过图像采集及处理软件观察微型相机23成像效果，并将焦距调节至最佳观测效果仅初次使用时需进行焦距调节，焦距调节完毕后，将可见光LED灯22关闭，通过图像采集及处理软件检查是否实现了暗背景窗口或导光通道内部没有光污染，观察图像采集及处理软件的视窗内无荧光点时方可进行下一步；

3.在图像采集及处理软件中对图像尺寸、像素、记录间隔进行设置，接着继续向下以0-30mm/s的速度推进直推式探头并开始探测；

4.在达到目标探测深度后停止探测，通过液压传动系统5将直推式探头拔出并清洁，接着开始下一测点的探测；

5.重复2-3操作以将所有待测点位探测完毕后，通过图像采集及处理软件从图像中过滤出荧光点，然后测算每幅图像上的荧光面积百分比，并以起始测试点地面位置为坐标原点，建立三维空间坐标系，然后将各个测点的深度，水平方位以坐标表示，通过每幅图像荧光面积百分比值与测点三维坐标的一一对应，形成一个有机污染物在土中分布浓度的三维云场。最后应说明的是：以上上述实施举例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (2)

1.土中有机污染物连续探测的紫外线荧光测试装置，其特征在于，所述装置包括：刚性外壳模块(1)、紫外线荧光标记模块(2)、自动清洁模块(3)、数据采集及图像分析系统(4)、液压传动系统(5)；

所述刚性外壳模块(1)由探头金属外壳(11)、连接件(12)和锥形接头(13)构成，探头金属外壳(11)可采用螺纹分别与连接件(12)、锥形接头(13)拧接一体；

所述探头金属外壳(11)呈圆柱状，内部设置有紫外线荧光标记模块(2)以及自动清洁模块(3)的安装位，探头金属外壳(11)开口端设置有外螺纹(111)及定位卡口(112)；所述探头金属外壳(11)的侧面开有矩形窗口，且矩形窗口周围的探头金属外壳(11)由矩形窗口边缘向外逐渐加厚至恒定厚度，以保证工作时与蓝宝石玻璃窗(24)连接成平滑曲面；矩形窗口上下边缘处的探头金属外壳(11)与蓝宝石玻璃窗(24)紧密贴合，矩形窗口左右边缘外侧各设置有两根与矩形窗口长边平行的通长橡胶条(113)，橡胶条(113)紧贴蓝宝石玻璃窗(24)；

所述连接件(12)呈空心圆柱状，两端开口内设有内螺纹(121)及定位卡口(112)；连接件(12)内部设置有四根通长橡胶条(113)，当探头金属外壳(11)上的定位卡口(112)与连接件(12)上的定位卡口(112)对齐后，连接件(12)的四根通长橡胶条(113)与探头金属外壳(11)的四根通长橡胶条(113)分别处于同一直线并紧密接触；当蓝宝石玻璃窗(24)贴紧矩形窗口同侧的两根通长橡胶条(113)时将围合出一个密闭空间；

所述锥形接头(13)呈空心圆锥形，开口端内有内螺纹(121)，另一端为锥尖；

所述紫外线荧光标记模块(2)由多组紫外线(UV)LED灯(21)、可见光LED灯(22)、微型相机(23)、蓝宝石玻璃窗(24)以及导光通道(25)组成；所述紫外线(UV)LED灯(21)可发射254/275/308nm三种波长的紫外线，总辐射通量3mw；所述可见光LED灯(22)可发出正白光，用于土体照明；所述微型相机(23)图像采集帧率为每秒20-120帧，光谱响应波长范围可覆盖380nm-3000nm；所述蓝宝石玻璃窗(24)为人工合成的弧面蓝宝石片，透光波长可覆盖150nm-5500nm；所述导光通道(25)为薄壁金属管焊接而成的内部相通的“爪”形构件，三根管道轴线间夹角均为30°，用于保证在观测窗口以及导光通道内部没有光污染；

所述自动清洁模块(3)由电机(31)、齿轮(32)、固定杆(33)以及清洁腔(34)组成；所述电机(31)为微型直流电机，电压在1-24V之间，用于带动主轴齿轮(321)双向旋转；所述齿轮(32)包括主轴齿轮(321)和从动轴齿轮；所述固定杆(33)为金属杆，固定杆(33)将从动轴(322)与蓝宝石玻璃窗(24)连接成一个刚性整体，当电机(31)工作时，齿轮(32)可带动从动轴(322)双向转动，进而带动固定杆(33)和蓝宝石玻璃窗(24)左右扫动；所述清洁腔(34)由探头金属外壳(11)、两根位于矩形窗口同一侧的通长橡胶条(113)、以及蓝宝石玻璃窗(24)围合而成，在探头金属外壳(11)上设有充水管(341)和抽水管(342)；

所述数据采集及图像分析系统(4)，可将可见光照射图像和紫外线荧光标记图像按一定时间间隔记录并储存，可通过图像采集及处理软件从图像中过滤荧光点，测算图像上的荧光面积百分比数据，并生成三维云图；

所述液压传动系统(5)为小型液压机，通过产生推力推动传动杆(51)以及直推式探头以每秒10-30mm的速度推进；所述传动杆(51)为空心圆管，底部可与探头金属外壳(11)通过螺纹拧接，内部空间可穿过充水管(341)、抽水管(342)以及用于导电以及数据传输的线路；

将紫外线荧光标记模块(2)、自动清洁模块(3)分别与刚性外壳模块(1)通过刚性外壳模块(1)上设置的紫外线荧光标记模块(2)以及自动清洁模块(3)安装位进行连接，组成直推式探头，将直推式探头与液压传动系统(5)通过传动杆(51)进行连接，将直推式探头与数据采集及图像分析系统(4)通过传输线路相连接，以形成土中有机污染物分层连续探测的紫外线荧光测试装置。

2.土中有机污染物连续探测的紫外线荧光测试方法，所述测试方法包括上述权利要求1的土中有机污染物连续探测的紫外线荧光测试装置，所述测试方法包括以下步骤：

1)将上述权利要求1所述的土中有机污染物连续探测的紫外线荧光测试装置进行组装；

2)利用液压传动系统(5)，将直推式探头向地层中推进，在蓝宝石玻璃窗(24)中心高度与地平线重合时，打开数据采集及图像分析系统(4)，定义此点位为坐标原点，定义完成后继续向下推进，直至蓝宝石玻璃窗(24)完全进入地平线以下时停止，进行成像效果校准，打开可见光LED灯(22)照亮土体，通过图像采集及处理软件观察微型相机(23)成像效果，并将焦距调节至最佳观测效果，焦距调节完毕后，将可见光LED灯(22)关闭，通过图像采集及处理软件检查是否实现了暗背景，观察图像采集及处理软件的视窗内无荧光点时方可进行下一步；

3)在图像采集及处理软件中对图像尺寸、像素、记录间隔进行设置，接着继续向下以0-30mm/s的速度推进直推式探头并开始探测；

4)在达到目标探测深度后停止探测，通过液压传动系统(5)将直推式探头拔出并清洁，接着开始下一测点的探测；

5)重复步骤2-3操作，以将所有待测点位探测完毕后，通过图像采集及处理软件从图像中过滤出荧光点，然后测算每幅图像上的荧光面积百分比，并以起始测试点地面位置为坐标原点，建立三维空间坐标系，然后将各个测点的深度，水平方位以坐标表示，通过每幅图像荧光面积百分比值与测点三维坐标的一一对应，形成有机污染物在土中分布浓度的三维云场。

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